4.1 电磁振荡 课件 -2024 -2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

电 磁 振 荡 人教版 选择性必修二 第四章 第一节 1 这种大小和方向都做周期性迅速变化的电流，叫做振荡电流。产生振荡电流的电路叫作振荡电路。。 + + － － － － + + 一、电磁振荡的产生 C L S E 我们一起从电路的角度分析电磁振荡的产生原理 3 电容器 具有充、 放电作用 线圈 具有自 感作用 L － － － － + + + + C 一 个 周 期 性 变 化 放电 充电 充电 放电 ｑ ｉ ｑ ｉ ｑ ｉ ｑ ｉ ++ ++ - - - - ++ ++ - - - - q=Qm i=0 q=Qm i=0 q=0 i=Im q=0 i=Im 电磁波谱 在LC回路中,流过线圈的i、线圈中的B、电容器极板上的q、极板间的E都呈正弦或余弦规律变化 二、电磁振荡中的能量变化 (1)、两个物理过程： 放电过程:电场能转化为磁场能，q↓→ i↑ 充电过程:磁场能转化为电场能，q↑ → i↓ 充电完毕状态:磁场能向电场能转化完毕,电场能最大,磁场能最小. 放电完毕状态:电场能向磁场能转化完毕,磁场能最大,电场能最小. LC回路工作过程具有对称性和周期性,可归结为 (2)、两个特殊状态： 电磁振荡的中的能量变化： LC振荡电路： (2)实际的LC振荡电路:能量在电路上有损耗；另外以电磁波的形式辐射出去. (1)LC回路：由线圈L和电容C组成的最简单振荡电路。 (3)等幅振荡：由电源通过晶体管等电子器件周期性的对LC振荡电路补充能量. 三、电磁振荡的周期和频率 电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间叫作周期。电磁振荡完成周期性变化的次数与所用时间的比值称为频率，数值等于单位时间内完成的周期性变化的次数。 电容较大时，电容器充放电的时间是长一些还是短一些？ 线圈的自感系数较大时，电容器充放电的时间是长些还是短些？ f= 例题：LC振荡电路中电容器极板上电量q 随时间t变化的图线如图，由图可知： A、在t1时刻电路中的磁场能最小 B、从t1到t2 ，电路中的电流值不断变小 C、从t2到t3 ，电容器不断充电 D、在t4时刻电容器的电场能最小 q t t1 t2 t3 t4 o 答案：A C D 练习1：在LC振荡电路中，在电容器充电完毕未开始放电时，正确的说法是： A、电场能正向磁场能转化 B、磁场能正向电场能转化 C、电路里的电场最强 D、电路里的磁场最强 C、电路里的电场最强 答案:．0.05亨 2.在一个LC振荡电路中，电流i随时间而变化的规率为i=0.01sin1000t(A)，已知电容器的电容为20μF，求电感线圈的电感是多大？ 3.某LC振荡电路由一个电感为L=25mH和一个半可调电容器C组成,电容器的可调范围为40～1000pF.试问此电路振荡过程中,在空中辐射的电磁波波长范围是多大? 答：振荡电路所辐射的电磁波长可在1884～9420m之间变化。 解: 3.某LC振荡电路由一个电感量为L=25mH和一个半可调电容器C组成,电容器的可调范围为40～1000pF.试问此电路振荡过程中,在空中辐射的电磁波波长范围是多大? 电磁场与电磁波 16 学习目标 1.进一步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想。知道电磁波概念。初步了解电磁场是物质的一种形式。会从电磁场的物质性与能量传播的观点解释电磁波的发射与接受。 2.领会在发现电磁波的过程中所蕴含的科学精神和科学研究方法，体会赫兹实验证明电磁波存在的重点意义。 3.了解发现电磁波的历史背景，知道麦克斯韦对电磁波的伟大贡献。领会物理实验对物理学发展的基础意义。 引入 问题： 电磁振荡电路中的能量有一部分要以电磁波的形式辐射到周围空间中去，那么，这些电磁波是怎样产生的？ 一、电磁场 1.变化的磁场产生电场 (1)实验基础：如图1所示，在变化的磁场中放一个闭合电路，电路里就会产生感应电流. (2)麦克斯韦的见解：电路里能产生感应电流，是因为变化的磁场产生了电场，电场促使导体中的自由电荷做定向运动. (3)实质：变化的磁场 产生了电场. 2.变化的电场产生磁场 麦克斯韦假设，既然变化的磁场能产生电场，那么变化的电场也会在空间产生磁场. 1.电磁波的产生：变化的电场和磁场交替产生， 由近及远向周围传播，形成电磁波. 2.电磁波的特点： (1)电磁波在空间传播不需要 介质； (2)电磁波是横波：电磁波中的电场强度与磁感应强度互相垂直， 而且二者均与波的传播方向垂直，因此电磁波是横波. (3)电磁波的波长、频率、波速的关系：v＝ ，在真空中，电磁波的速度c＝ m/s. (4)电磁波能产生反射、折射 、干涉、偏振和衍射等现象. 二、电磁波 λf 3.0×108 3.电磁波具有能量 电磁场的转换就是电场能量与磁场能量的转换，电磁波的发射过程是辐射能量的过程，传播过程是能量传播的过程. 1886，赫兹通过自制的实验装置，证实了电磁波的存在。仪器中有一对抛光的金属小球，两球之间有很小的空气间隙。将两球连接到产生高压的感应圈的两端时，两球之间出现了火花放电。 4.电磁波的发现 如果能够适时地把能量补充到振荡电路中，以补偿能量损耗，就可以得到振幅不变的等幅振荡(图4.1-3)。实际电路中由电源通过电子器件为LC电路补充能量。 拓展 电磁波是电磁现象,机械波是力学现象,两种波产生机理不同,所以除具有波的共性外,还有不同之处。 本课小结 对麦克斯韦电磁场理论的理解 当堂检测 1.根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是（　　） A.变化的电场一定产生变化的磁场 B.均匀变化的磁场一定产生均匀变化的电场 C.恒定的电场产生恒定的磁场 D.振荡电场产生同频率的振荡磁场 D 解析：A错：根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场一定产生磁场，但产生的磁场不一定是变化的磁场。 B错：变化的磁场一定产生电场，但是产生的电场不一定是变化的，均匀变化的磁场产生的是恒定的电场，周期性变化的磁场产生周期性变化的电场。 C错：恒定的电场不会产生磁场，恒定的磁场也不会产生电场。 D对：振荡电场会产生同频率的振荡磁场。 2.［多选］关于电磁场理论的叙述，正确的是（　 　） A.变化的磁场周围一定存在着电场，与是否有闭合电路无关 B.周期性变化的磁场产生同频率变化的电场 C.变化的电场和变化的磁场相互关联，形成一个统一的场，即电磁场 D.电场周围一定存在磁场，磁场周围一定存在电场   ABC 3.［多选］根据麦克斯韦电磁场理论，变化的磁场可以产生电场，当产生的电场的电场线如图所示时，可能是（　　） A.方向向上的磁场在增强 B.方向向上的磁场在减弱 C.方向向上的磁场先增强，然后反向减弱 D.方向向上的磁场先减弱，然后反向增强   AC 无线电波的发射和接收 28 学习目标 1.了解有效地发射电磁波的两个条件。了解调制、调幅、调频、调谐、解调、电谐振的概念及其相互关系。能解释无线电波发射、接受的过程。 2.了解电视广播的发射与接受的原理与过程。 3.领会高频电磁波在无线电发射与接收中的重要作用。 引入 问题： 在普通的LC 振荡电路中，电场主要集中在电容器的极板之间，磁场主要集中在线圈内部。在电磁振荡的过程中，电场能和磁场能主要是在电路内互相转化，辐射出去的能量很少，怎样才能有效地发射电磁波呢？ 1.要有效地发射电磁波，振荡电路必须具有的两个特点： (1)要有足够高的振荡频率，频率越高，发射电磁波的本领越大. (2)振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，因此采用开放电路. 2.实际应用中的开放电路，线圈的一端用导线与大地相连，这条导线叫作地线；线圈的另一端与高高地架在空中的天线相连. 一、无线电波的发射 3.电磁波的调制：在电磁波发射技术中，使载波随各种信号而改变的技术.调制分为调幅和调频. (1)调幅(AM)：使高频电磁波的振幅 随信号的强弱而改变的调制方法. (2)调频(FM)：使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变的调制方法. 一、无线电波的发射 1.接收原理：电磁波在传播时如果遇到导体，会使导体中产生感应电流，空中的导体可以用来接收电磁波，这个导体就是接收天线 。 2.电谐振：当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这种现象叫作电谐振，相当于机械振动中的共振. (1)调谐：使接收电路产生电谐振的过程. (2)解调：把声音或图像信号从高频电流中还原出来的过程.调幅波的解调也叫检波. 二、无线电波的接收 1.电视广播信号是一种无线电信号，实际传播中需要通过载波将信号调制成高频信号再进行传播. 2.高频电视信号的三种传播方式：地面无线电传输、有线网络传输以及卫星传输. 3.电视信号的接收：电视机接收到的高频电磁波信号经过解调将得到的信号转变为图像信号和伴音信号. 三、电视广播的发射和接收 例. 有4个容易混淆的名词：调制、调幅、调频、解调。请设计一个结构图来表明它们的关系，并说明调幅与调频的区别。 使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变 使高频电磁波的频率随信号的强弱而变 信号 调制 发射 调谐电路 输出 解调 调幅 调频 本课小结 当堂检测 1.为了增大无线电台向空间辐射无线电波的能力，对LC振荡电路的结构可采取下列哪些措施（　　） A.增大电容器极板的正对面积 B.增大电容器极板的间距 C.增大自感线圈的匝数 D.提高供电电压 【解析】要增大无线电台向空间辐射电磁波的能力，必须提高其振荡频率，由f=知，可减小L和C以提高f。要减小L可采取减少线圈匝数，抽出铁芯的办法，要减小C可采取增大极板间距，减小极板正对面积，减小介电常数的办法。故只有B正确。 B 2.关于无线电广播要对电磁波进行调制，下列说法正确的是（　　） A.经过调制后的高频电磁波向外辐射能量的本领更强 B.经过调制后的高频电磁波在空间传播得更快 C.经过调制后的高频电磁波在空间传播时波长才能不变 D.经过调制后的高频电磁波才能把我们要传递的信号发射出去   提示：声音、图像信号的频率很低，不能直接发射出去，只有高频电磁波才能向外发射，所以要用高频电磁波携带着低频信号向外发射，而把低频信号加到高频电磁波上，使高频电磁波随各种信号的改变而改变的技术叫作调制。 D 3.［多选］关于电磁波的接收，下列说法正确的（　　） A.当处于电谐振时，所有的电磁波仍能在接收电路中产生感应电流 B.当处于电谐振时，只有被接收的电磁波才能在接收电路中产生感应电流 C.由调谐电路接收的感应电流，再经过耳机就可以听到声音了 D.由调谐电路接收的感应电流，再经过检波、放大，通过耳机才可以听到声音 【解析】当处于电谐振时，所有的电磁波仍能在接收电路中产生感应电流，只不过频率跟接收电路固有频率相等的电磁波在接收电路中激发的感应电流最强。由调谐电路接收的感应电流，要再经过检波（也就是调制的逆过程）、放大，通过耳机才可以听到声音，故正确选项为A、D。 AD 问题： 太空中的太阳动力学观测台 (SDO) 可以拍摄到紫外线波段的太阳图像。通过这些图像可以观察到被可见光模糊或者遮挡的日冕等太阳活动。对比波长为211 nm的紫外线和可见光的图像可以看出，它与我们常见的太阳大不相同。除了可见光和紫外线，你还知道太阳能发出哪些波段的电磁波吗？ 学科网原创 引入 电磁波谱 电磁波是一个“巨大王国”——赫兹 电磁波包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、 X 射线、γ 射线等。不同电磁波具有不同的波长（频率），具有不同的特性。 电磁波谱就是按电磁波的波长大小或频率高低的顺序把它们排列成的谱 电磁波谱及其应用 技术上把波长大于1 mm（频率低于300 GHz）的电磁波称作无线电波，并按波长（频率）划分为若干波段。 一、无线电波 风扇 波导管 磁控管 控制面板 屏蔽网 门 无线电波 二、红外线 所有物体都发射红外线。 热物体的红外辐射比冷物体的红外辐射强。 夜视仪器 红外摄影 红外遥感技术 红外体温计 找点图 45 三、可见光 能使人的眼睛产生视觉效应的电磁波，称为可见光。可见光的波长为400 〜760 nm。 各色光在真空中的波长和频率 四、紫外线 波长范围为5 〜370 nm 的电磁波是紫外线。 灭菌消毒 促进钙的吸收 过强的紫外线会伤害眼睛和皮肤 使荧光物质发光 找点图 47 X 射线 X 射线检查人体的内部器官 X 射线检查金属构件内部的缺陷 γ 射线 γ 射线摧毁癌细胞治疗癌症 γ 射线检查金属构件内部的缺陷 五、射线和射线 找点图 48 例 下面列出一些医疗器械的名称和这些器械运用的物理现象，请将相应的物理现象对应的字母填写在运用这种现象的医疗器械后面的空格上。 （1）X光机，　　　　。 （2）紫外线灯，　　　　。 （3）红外线理疗灯（用理疗灯照射伤口，可使伤口愈合得较好），　　　　。 A.光的全反射 B.紫外线具有荧光作用 C.紫外线具有灭菌消毒作用 D. X射线具有很强的穿透能力 E.红外线具有显著的热效应 F.红外线波长较长，易发生衍射   E D C 本课小结 各种电磁波的共性 (1)在本质上都是电磁波，遵循相同的规律，各波段之间的区别并没有绝对的意义. (2)都遵循公式v＝λf，在真空中的传播速度都是c＝3×108 m/s. (3)传播都不需要介质. (4)都具有反射、折射、衍射和干涉的特性. 当堂检测 1.根据电磁波谱选出下列各组电磁波，其中频率相互交错重叠，且波长顺序由短到长的排列是（　　） A.微波、红外线、紫外线 B. γ射线、X射线、紫外线 C.紫外线、红外线、无线电波 D.紫外线、X射线、γ射线 B 解析：题目给出了两个要求，一是频率相互交错，需要各组中的电磁波是相邻的，二是波长由短到长。 2.一种电磁波入射到半径为1 mm的孔上，可发生明显的衍射现象，这种波属于电磁波谱的哪个区域（　　） A.可见光 B. γ射线 C.无线电波 D.紫外线 解析：波发生明显衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸跟波长差不多或比波长还要小。电磁波中的无线电波波长大于1 mm，红外线波长小于1 mm，可见光、紫外线、γ射线的波长更短，所以只有无线电波符合条件。 C 3.［多选］下列关于电磁波谱中各成员的说法正确的是（　　） A.最容易发生衍射现象的是无线电波 B.紫外线有明显的热效应 C. X射线穿透能力较强，所以可用来检查工件 D.晴朗的天空看起来是蓝色的，是光散射的结果 【解析】A对：波长越长越容易发生衍射。 B错：有明显热效应的是红外线。 C对：X射线的穿透能力较强，常用于医学拍片和检查金属构件内部的缺陷等。 D对：天空的蓝色是由于波长较短的光易被散射。 ACD 4.电磁波在日常生活和生产中被大量应用，下列说法正确的是（　　） A.机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪是利用X射线的穿透本领 B.银行的验钞机和家用电器的遥控器发出的光都是紫外线 C.微波炉能快速加热食物是利用红外线具有显著的热效应 D.手机通话使用的无线电波，其波长比可见光的波长短   解析：A对：机场、车站用来检查旅客行李包的透视仪是利用X射线的穿透本领。 B错：遥控器采用的是红外线，不是紫外线。 C错：微波炉是利用了微波的频率与水分子的频率相接近，从而使水分子振动而发热。 D错：手机通话使用的无线电波，其波长要大于可见光的波长。 A 分类 机械波 电磁波 对象 研究力学现象 研究电磁现象 周期性变化的物理量 位移随时间和空间做周期性变化 电场强度和磁感应强度随时间和空间做周期性变化 传播 传播需要介质,波速与介质有关,与频率无关 传播不需要介质,在真空中波速总等于光速,在介质中传播时,波速与介质及频率都有关系 产生 由质点(波源)的振动产生 由周期性变化的电流(电磁振荡)激发 恒定的磁场不产生电场 恒定的电场不产生磁场 均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场 均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场 不均匀变化的磁场在周围空间产生变化的电场 不均匀变化的电场在周围空间产生变化的磁场 振荡磁场产生同频率的振荡电场 振荡电场产生同频率的振荡磁场 $$